Un team di ricerca guidato dal Prof. Jerald Yoo del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell’Università Nazionale di Seoul (SNU) ha sviluppato un sistema sanitario indossabile, “SkinECG”, che si adatta alla pelle ed è in grado di misurare i segnali elettrocardiografici (ECG) senza bisogno di batteria. Combinando la raccolta di energia con il trasferimento di potenza accoppiato al corpo umano, lo studio presenta una nuova soluzione a una delle sfide più critiche dei dispositivi indossabili: l’alimentazione.
I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances .
I sistemi sanitari indossabili si stanno affermando come tecnologie mediche di nuova generazione che consentono il monitoraggio in tempo reale dei segnali fisiologici tramite sensori applicati al corpo, permettendo così la diagnosi precoce di anomalie legate a patologie.
Un esempio rappresentativo è il sensore elettrocardiografico (ECG), che misura i segnali elettrici generati dal cuore ed è essenziale per rilevare patologie cardiovascolari come le aritmie.
Tuttavia, un ostacolo importante alla commercializzazione e all’utilizzo a lungo termine dei dispositivi indossabili rimane la batteria. Le batterie aumentano le dimensioni e il peso del dispositivo, riducendone la praticità d’uso, e una volta esaurite possono interrompere la raccolta dei segnali fisiologici. Inoltre, la necessità di ricarica e sostituzione periodiche rappresenta un inconveniente per gli utenti e rende difficile il monitoraggio continuo dello stato di salute a lungo termine.
Per superare questa difficoltà, i ricercatori hanno esplorato tecnologie di raccolta energetica che convertono le fonti di energia ambientale, come luce, calore e movimento, in elettricità. Tuttavia, rimane una limitazione fondamentale: il luogo ottimale per la raccolta di energia spesso non coincide con il luogo migliore per misurare i segnali fisiologici.
Ad esempio, i sensori ECG vengono in genere posizionati sul torace, mentre le celle solari funzionano in modo più efficiente sulle zone del corpo esposte alla luce solare, come braccia o gambe. Questo crea quello che il team di ricerca definisce un “discrepanza di posizione”: il luogo migliore per raccogliere energia è spesso diverso dal luogo migliore per misurare i biosignali.
Risolvere il problema della discrepanza nella localizzazione energetica
Per ovviare a questa discrepanza di posizione, il team del Prof. Yoo ha proposto una nuova architettura di alimentazione che trasferisce in modalità wireless l’energia da uno o più dispositivi di raccolta energetica indossabili a un sensore ECG posizionato a distanza.
Il sistema SkinECG sviluppato consiste in un cerotto idrocolloidale aderente alla pelle che integra un circuito stampato flessibile e un chip semiconduttore progettato su misura per il rilevamento dell’ECG, insieme a una rete di alimentazione wireless multi-sorgente che trasmette l’energia raccolta da più dispositivi al sensore. Questa tecnologia è denominata Rete Ortogonale di Raccolta di Energia (O-EHN) nello studio.
Una o più unità di raccolta di energia convertono l’energia ambientale in energia elettrica, che viene poi trasmessa in modalità wireless a un sensore ECG montato sul torace tramite trasferimento di potenza accoppiato al corpo. Trasmettendo energia a frequenze ortogonali, le unità di raccolta riducono le interferenze tra i segnali di potenza, consentendo di regolarne in modo flessibile il numero e il posizionamento, mantenendo al contempo un’erogazione di energia stabile al sensore ECG.
Guidare la potenza wireless lungo la pelle
I metodi convenzionali di trasferimento di energia senza fili si basano sulla radiazione elettromagnetica attraverso l’aria. Tuttavia, in prossimità del corpo umano, le onde elettromagnetiche vengono spesso assorbite o disperse, con conseguente significativa riduzione dell’efficienza del trasferimento di energia.
Per superare questa limitazione, il team del professor Yoo ha adottato un approccio diverso: invece di irradiare energia a distanza, l’hanno guidata lungo la superficie della pelle.
Utilizzando il trasferimento di energia accoppiato al corpo, il team ha fornito energia in modalità wireless dai dispositivi di raccolta energetica indossati direttamente al sensore ECG, senza l’utilizzo di cavi. Per prevenire interferenze tra le diverse fonti di energia, a ciascun dispositivo di raccolta è stato assegnato un canale di frequenza distinto, garantendo una ricezione stabile dell’energia da parte del sensore.
Il sistema è stato progettato anche tenendo conto della sicurezza umana. La potenza applicata al corpo è stata mantenuta a un livello paragonabile all’esposizione quotidiana agli agenti elettromagnetici ambientali, garantendo la sicurezza per l’utilizzo da parte dell’uomo.
Verso un monitoraggio sanitario senza batteria più diffuso.
I ricercatori hanno dimostrato che il sensore ECG può essere alimentato esclusivamente tramite la raccolta di energia, senza batterie o connessioni cablate. Il sistema riduce inoltre i vincoli relativi al numero e al posizionamento dei dispositivi di raccolta di energia ed è compatibile con le tecnologie di raccolta di energia commerciali esistenti, il che indica un forte potenziale di espansione in una vasta gamma di dispositivi indossabili per la cura della salute.
Questa tecnologia può essere applicata non solo al monitoraggio ECG , ma anche alla misurazione a lungo termine di altri segnali fisiologici, come l’elettromiografia (EMG) e l’elettroencefalografia (EEG). Inoltre, si prospetta come una soluzione fondamentale per affrontare le problematiche di alimentazione sia nei dispositivi elettronici indossabili che nei dispositivi medici impiantabili.
Il professor Jerald Yoo ha spiegato: “Nei sistemi sanitari indossabili, si è riscontrata una limitazione fondamentale, ovvero che le posizioni ottimali per la raccolta di energia ambientale e per la misurazione dei segnali fisiologici sono diverse. Questo studio risolve tale problema consentendo il trasferimento di energia senza fili lungo la superficie del corpo umano.”
Ha aggiunto: “Limitando la potenza applicata al corpo umano a livelli paragonabili a quelli riscontrati nella vita quotidiana, abbiamo progettato il sistema pensando alla sicurezza umana, dimostrando al contempo un’erogazione di energia stabile ai sensori ECG senza l’utilizzo di batterie ingombranti.”
“Questo approccio può essere esteso a piattaforme sanitarie digitali multimodali in grado di gestire diversi sensori di biosignali come EMG ed EEG, nonché a tecnologie di alimentazione indossabili più ampie.”
Questa ricerca è stata condotta nell’ambito di una collaborazione internazionale guidata dal team del Prof. Yoo presso la Seoul National University, con la partecipazione dell’Università di Tokyo e della National University of Singapore. Il team prevede che i risultati rappresenteranno un passo importante verso la risoluzione delle problematiche relative all’alimentazione elettrica dei sistemi sanitari indossabili di prossima generazione.
by 